MGP提升光伏發(fā)電系統(tǒng)慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力的研究

谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

MGP提升光伏發(fā)電系統(tǒng)慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力的研究

谷昱君，黃永章，楊 鑫，付文啟，趙海森

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

新能源通過變流器并網(wǎng)，由于采用電網(wǎng)頻率定向和最大功率跟蹤控制使其不具備慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力，同步電機對（Motor-generator Pair，MGP）成為解決這一問題的可行方案。本文給出了光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運動方程，針對負(fù)荷變化引起的長時間尺度的電網(wǎng)頻率變化分析其慣性響應(yīng)和參與調(diào)頻的原理。在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)直流電壓反饋控制方法，通過在控制環(huán)節(jié)中引入減載率使得調(diào)頻范圍增加。分別搭建了多機的仿真模型和實驗平臺，通過與傳統(tǒng)火電廠和光伏通過逆變器并網(wǎng)的頻率響應(yīng)對比得出，MGP可以有效提升光伏發(fā)電單元的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力。

光伏發(fā)電；同步電機對；慣性響應(yīng)；頻率調(diào)整；頻率穩(wěn)定性

0 前言

在全球化石能源供需矛盾日益加深的背景下，各國角力于新能源發(fā)電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。截至2019年上半年，中國風(fēng)電和光伏的發(fā)電量分別達(dá)到2145億kW·h和1067kW·h，同比增長分別為11.5%和30%，棄風(fēng)、棄光率分別同比下降3%和1.2%[1]。在新能源并網(wǎng)容量持續(xù)增加的同時，電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性隨之下降。這一問題主要歸咎于新能源發(fā)電單元不具備常規(guī)火電機組的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力[2, 3]。一方面，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于其內(nèi)部不含旋轉(zhuǎn)儲能設(shè)備而不具備慣性。雖然風(fēng)機葉片和轉(zhuǎn)子具備慣性，但由于新能源并網(wǎng)逆變器以電網(wǎng)頻率為參考，風(fēng)機內(nèi)儲存的動能無法響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化而提供慣性支撐。另一方面，無論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電，其發(fā)電側(cè)一般均采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制方法，沒有備用容量參與電網(wǎng)的頻率調(diào)整。

為了提升新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性，有學(xué)者針對性地提出了提升新能源慣性和頻率響應(yīng)的改進(jìn)控制方法。文獻(xiàn)[4]提出了基于虛擬同步機技術(shù)的雙饋風(fēng)機慣性響應(yīng)控制方法，實質(zhì)上是利用風(fēng)機變流器的有功快速調(diào)節(jié)特性根據(jù)電網(wǎng)頻率變化改變其輸出功率大小。但是，該方法沒有考慮風(fēng)機本身的調(diào)頻能力。文獻(xiàn)[5]和[6]根據(jù)火電機組調(diào)差率定義風(fēng)電機組的減載水平，通過在變流器控制中引入與其相關(guān)的比例系數(shù)以實現(xiàn)與火電機組頻率調(diào)節(jié)相似的效果。文獻(xiàn)[7]為了充分利用風(fēng)機轉(zhuǎn)子儲存的動能和槳距角的可調(diào)性，提出了虛擬慣量和槳距角聯(lián)合控制方法，既可以提升風(fēng)機慣性和頻率響應(yīng)，又可有效抑制頻率的二次跌落。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[8]考慮了風(fēng)電場內(nèi)不同風(fēng)機的運行狀態(tài)，提出了高風(fēng)速機組優(yōu)先調(diào)頻的調(diào)度策略，有效地提高了風(fēng)電場頻率響應(yīng)能力。文獻(xiàn)[9]針對風(fēng)機超速控制中控制器參數(shù)整定方法，用以提高風(fēng)機調(diào)頻響應(yīng)能力，但是整定參數(shù)表由仿真計算得到，未考慮實際運行因素的影響。文獻(xiàn)[10]提出了基于變減載率的光伏調(diào)頻控制策略，可以根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化主動改變變流器有功輸出，并在半實物仿真平臺中進(jìn)行了算例驗證。

上述方法均是借助改進(jìn)變流器控制策略使新能源具備類似火電機組的慣性和頻率響應(yīng)，達(dá)到提高電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的目的。但是，這些方法都存在控制器參數(shù)選取和電網(wǎng)頻率采集準(zhǔn)確度不高的問題和局限，無法達(dá)到火電廠的調(diào)頻水平。新能源同步電機對（Motor-Generator Pair，MGP）的提出成為一種提升新能源慣性和頻率響應(yīng)的新方法[11]。文獻(xiàn)[12]和[13]分別研究了MGP的慣性特性和短時頻率變化響應(yīng)特性，證明新能源通過MGP并網(wǎng)具備良好的慣性和頻率響應(yīng)特性，但是研究的場景較為簡單，且僅在單機無窮大實驗平臺中開展了相關(guān)實驗研究，相關(guān)研究尚待完善。

本文以光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)為例討論其頻率調(diào)整特性。首先，給出了光伏驅(qū)動MGP的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運動方程。然后，分析其頻率響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上提出了基于光伏減載運行的電壓反饋控制方法。在PSCAD中搭建了含光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)三機九節(jié)點仿真模型，與相同負(fù)荷變化下火電機組的頻率響應(yīng)特性仿真對比可知，光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)具備與火電機組類似的頻率調(diào)整特性。最后，在多機實驗平臺中進(jìn)行光伏直接并網(wǎng)和光伏通過MGP并網(wǎng)負(fù)載變化對比實驗。實驗結(jié)果表明，MGP系統(tǒng)可以使光伏具備慣性響應(yīng)，并且在負(fù)荷增加時增加輸出有功功率，有利于提高電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1 光伏經(jīng)MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

MGP系統(tǒng)由兩臺同軸相連的同步電機構(gòu)成，光伏發(fā)電單元作為輸入驅(qū)動同步電動機，同步發(fā)電機作為發(fā)電單元并網(wǎng)，這種并網(wǎng)新結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏通過MGP系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由于兩臺電機采用對拖方式，分別從兩臺同步電機定子繞組看進(jìn)去的轉(zhuǎn)速方向相反，所以兩臺同步電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相反。為使MGP能夠并網(wǎng)運行，兩側(cè)三相交流電的相序必須相反。因此，如果同步電動機采用電動機慣例，而同步發(fā)電機采用發(fā)電機慣例，MGP的運動方程中兩臺電機的轉(zhuǎn)矩方向一致。這樣可以得到MGP系統(tǒng)在dq軸坐標(biāo)系下矢量形式的標(biāo)幺值運動方程如下：

其中，eM，eG分別是同步電動機和同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；Δr為MGP轉(zhuǎn)子角速度變化量；MGP，D_MGP分別為MGP系統(tǒng)慣性時間常數(shù)和阻尼系數(shù)。

由公式（1）可知，MGP系統(tǒng)兩臺同步電機雖然并未有電氣的直接連接，但是存在著電磁-機械耦合關(guān)系，一側(cè)電氣量的變化會通過轉(zhuǎn)子軸系引起另一側(cè)電氣量的變化，這一特性使得電網(wǎng)頻率的變化與新能源輸出功率存在了耦合關(guān)系，使得新能源具備了參與電網(wǎng)頻率調(diào)整的條件。而光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化的速率不僅由電網(wǎng)頻率變化速率決定，還與MGP系統(tǒng)的慣性和阻尼參數(shù)有關(guān)，這些參數(shù)可以有效抑制頻率跌落幅度和變化速率，有利于電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

2 光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)頻率響應(yīng)特性和改進(jìn)控制策略

當(dāng)電網(wǎng)頻率由于負(fù)荷增加/減小而變化時，同步發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子側(cè)頻率會出現(xiàn)差值。由于新能源的功率波動周期相對較長，可以假設(shè)電網(wǎng)頻率變化過程中新能源出力不變。當(dāng)電網(wǎng)頻率降低瞬間，新能源逆變器輸出頻率不變，MGP系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸仍然以同步速旋轉(zhuǎn)，同步發(fā)電機的定子電壓頻率隨著并網(wǎng)點頻率降低而降低，MGP系統(tǒng)在并網(wǎng)點頻率變化瞬間會產(chǎn)生慣性響應(yīng)，通過釋放儲存的旋轉(zhuǎn)動能抑制發(fā)電機機端頻率的變化，這是目前新能源并網(wǎng)逆變器通過檢測電網(wǎng)頻率實現(xiàn)慣性響應(yīng)所無法比擬和實現(xiàn)的。同時由于功角隨之增加，同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩會增加，使得逆變器直流側(cè)電容放電速度增加，直流母線電壓隨之降低，從而增加逆變器輸出有功功率。

由上述分析可知，MGP系統(tǒng)向電網(wǎng)增發(fā)的有功功率來自于直流電容和轉(zhuǎn)軸儲存的能量，但是這部分能量較小，只在電網(wǎng)頻率變化后較短時間內(nèi)起作用，無法滿足電網(wǎng)調(diào)頻的要求。為了具備類似火力發(fā)電廠一次調(diào)頻的功能，新能源應(yīng)能根據(jù)電網(wǎng)頻率的降低自動向電網(wǎng)增加輸出的有功功率。為了使MGP系統(tǒng)能夠參與電網(wǎng)調(diào)頻，需要對文獻(xiàn)[14]中的直流電壓反饋控制方法進(jìn)行改進(jìn)。為使光伏驅(qū)動MGP具備類似火電機組的頻率響應(yīng)，光伏逆變器需要用減載控制替代傳統(tǒng)的控制，其中減載率的選取參考文獻(xiàn)[5]。但是，光伏發(fā)電單元并未直接并網(wǎng)，需要考慮MGP系統(tǒng)有功功率損耗的影響。大型同步電機的效率一般為98%，MGP系統(tǒng)的效率可以近似為96%，所以實際運行中要考慮電機對的運行效率。在此基礎(chǔ)上，需要改進(jìn)PV變流器的控制以滿足上述要求，控制框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)直流電壓反饋控制結(jié)構(gòu)

其中，d%為光伏減載率；dc_ref為采用MPPT算法得到的直流電壓參考值；dc_1為考慮減載率的直流電壓給定值。

鑒于兩臺電機間存在電氣-機械耦合關(guān)系，當(dāng)MGP系統(tǒng)開始響應(yīng)電網(wǎng)頻率下降時，直流母線電壓控制系統(tǒng)開始起作用。此時，直流母線電壓實際值小于給定參考值，在直流母線電壓控制的作用下，逆變器的輸出頻率會隨之減小，而轉(zhuǎn)子釋放儲存的旋轉(zhuǎn)動能后轉(zhuǎn)速下降直至穩(wěn)定在新的運行點上，直流母線電壓會隨著MGP系統(tǒng)的輸出有功功率減小逐漸穩(wěn)定在參考值附近。由于減載率的引入，直流母線電壓可以變化的區(qū)間增加，這樣對于不同電網(wǎng)頻率變化的場景，光伏通過MGP并網(wǎng)的頻率響應(yīng)在這一過程中，MGP系統(tǒng)兩側(cè)的功率由于電網(wǎng)頻率的變化和逆變器控制的雙重作用下出現(xiàn)振蕩過程，由于MGP的阻尼作用使其加快衰減。

3 三機節(jié)點系統(tǒng)仿真研究

由上節(jié)的分析可知，通過采用改進(jìn)直流電壓反饋控制策略，光伏通過MGP并網(wǎng)可以實現(xiàn)類似火電機組的慣性和頻率響應(yīng)。為此，在PSCAD中搭建了如圖3所示含光伏驅(qū)動MGP的三機九節(jié)點仿真模型。

圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)

其中，G1、G2、G3的容量分別為300MW、500MW和400MW；L1、L2、L3的有功負(fù)荷分別為125 MW、90MW和30MW。光伏通過MGP并入母線7，在50s時投入L1，得到母線7的頻率、光伏驅(qū)動MGP輸出有功功率和火電機組2輸出有功功率，如圖4所示。

圖4 負(fù)荷變化仿真結(jié)果圖

由上圖可知，負(fù)荷增加引起電網(wǎng)頻率下降，光伏驅(qū)動MGP和火電機組均瞬時響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，增發(fā)有功功率。通過對比兩者的有功曲線可得，兩者功率響應(yīng)速度基本一致，在電網(wǎng)頻率恢復(fù)的過程中，前者的輸出特性主要由控制系統(tǒng)決定，存在一個波動的過程，而火電機組的有功輸出響應(yīng)特性滿足下垂特性，且由于配置了PSS使得有功功率的波形比較平滑。因此，在電網(wǎng)頻率變化初期光伏通過MGP并網(wǎng)具備類似火電機組的頻率響應(yīng)特性，從而使得光伏具備了類似火電機組的頻率調(diào)整能力。但是，由于控制系統(tǒng)的作用，使其在頻率恢復(fù)過程中的有功響應(yīng)時間較短。

4 實驗研究

為了驗證上述關(guān)于MGP系統(tǒng)的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整特性，在實驗室搭建了如圖5所示的實驗平臺。實驗平臺的設(shè)備主要包括一臺致茂電子（Chroma）62100H-600S型10kW光伏模擬器、一套5.5kW兩機MGP系統(tǒng)（包括兩臺STC-5.5型5.5kW同步電機）、一套模擬火電系統(tǒng)（包括一臺STC-5型5kW同步電機、一臺Z2-52型7.5kW直流電機和一臺直流電機調(diào)速器）、一個控制柜（包括一臺北京中源動力DF900型30kW變頻器和一套直流母線電壓控制系統(tǒng)）、一臺北京群菱ACLT-3803H型33.33kW可編程交流負(fù)載和一臺華為（HUAWEI）SUN2000L-5KTL型12kW光伏逆變器。

圖5 光伏系統(tǒng)經(jīng)MGP并網(wǎng)實驗平臺

為了驗證光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整特性，分別在圖5的實驗平臺中做了兩組相同的變負(fù)載實驗。兩組實驗的負(fù)載三相有功功率均是由2.1kW增加至2.7kW，主要差別是光伏是否經(jīng)MGP并網(wǎng)，這樣使得兩組實驗的對比結(jié)果更為可信。實驗步驟為：

（1）啟動直流電機調(diào)速器，將模擬火電機組帶至同步速，閉合開關(guān)K1、K3，啟動負(fù)載并設(shè)置三相有功功率初值，啟動光伏模擬器；

（2）打開光伏逆變器開關(guān)，逆變器按照MPPT控制算法運行，待逆變器輸出穩(wěn)定后，設(shè)置負(fù)載變化，記錄實驗數(shù)據(jù)；

（3）關(guān)閉光伏逆變器，打開控制柜中變流器開關(guān)，變流器采用直流母線電壓控制并啟動，減載率選取為40%（這是由于實驗電機的損耗較大，多預(yù)留一些備用容量），待MGP轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速時通過控制柜中自動并網(wǎng)同期裝置閉合開關(guān)K2，待MGP系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，設(shè)置負(fù)載變化，記錄實驗數(shù)據(jù)。

將兩組實驗測量得到的電壓、電流數(shù)據(jù)分別通過單相功率計算模塊和鎖相環(huán)得到PV和PV+MGP并網(wǎng)點電壓頻率和單相輸出有功功率如圖6所示。

圖6 相同負(fù)荷變化下頻率和有功功率實驗對比結(jié)果

由圖6（a）中并網(wǎng)點頻率波形對比圖可知，當(dāng)負(fù)載增加時，光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)時并網(wǎng)點的頻率偏移量大約只有光伏直接并網(wǎng)時頻率偏移量的60%，而且頻率的恢復(fù)速度更快，說明MGP轉(zhuǎn)動慣量在負(fù)荷變化時提供了慣性支撐，有效抑制了頻率的變化量，僅在頻率恢復(fù)時的振幅略微大于光伏直接并網(wǎng)時的振幅。而由（b）中有功功率的波形對比圖可知，在負(fù)載變化過程中，光伏直接并網(wǎng)組的有功功率出力并沒有明顯變化，這是由于光伏逆變器采用MPPT算法使其輸出的有功功率保持不變。相比之下，由于采用基于減載的直流母線電壓控制方法，在負(fù)載增加時，光伏驅(qū)動MGP的有功出力快速增加，其增速與并網(wǎng)點頻率下降速度相符，說明其出力特性與火電機組的下垂控制特性相似，在電網(wǎng)頻率變化初期能夠提供類似火電機組的一次調(diào)頻響應(yīng)。

當(dāng)并網(wǎng)點頻率從最低點開始上升時，MGP系統(tǒng)在直流母線電壓控制的作用下，有功出力開始下降，但是仍然增發(fā)有功功率，而有功出力下降速度受電容充放電速度和控制參數(shù)的影響較大。需要注意的是，無論是穩(wěn)態(tài)過程還是頻率恢復(fù)過程，有功功率的波形不是穩(wěn)定在一個恒定值上，這與控制系統(tǒng)的控制精度直接相關(guān)。這是由于實驗室電氣量測量裝置存在一定的誤差，使得實際輸出有功功率和給定值存在偏差，波形也有一定的波動，這些均有待測量精度的進(jìn)一步提高，從側(cè)面也反應(yīng)出控制系統(tǒng)的性能對于光伏頻率調(diào)整特性也發(fā)揮很重要的作用。

5 結(jié)論

本文給出了光伏驅(qū)動MGP的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運動方程，并基于其頻率響應(yīng)特性的分析提出了改進(jìn)控制方法。在多機系統(tǒng)中分別與傳統(tǒng)火電機組和光伏直接并網(wǎng)的情況進(jìn)行了仿真和實驗驗證。結(jié)論表明，MGP使得光伏發(fā)電系統(tǒng)具備良好的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)整能力，光伏驅(qū)動MGP并網(wǎng)具備與火電機組相似的頻率響應(yīng)特性，從而提高了高比例新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

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Research on the Ability of Motor-generator Pair(MGP) to Improve the Inertial Response and Frequency Regulation of Photovoltaic Power Generation System

GU Yujun, HUANG Yongzhang,YANG Xin, FU Wenqi, ZHAO Haisen

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

The renewable energy is connected to the power grid through converters. Because of the adoption of grid frequency orientation and maximum power tracking control, the renew energy generation units do not have the ability of inertial response and frequency adjustment. The Motor- generator Pair (MGP) becomes a feasible solution to this problem. In this paper, the grid-connection structure and motion equation of photovoltaic through MGP are given. The principle of inertial response and frequency regulation is analyzed for the long-time grid frequency change caused by load changes. On this basis, an improved DC voltage feedback control method is proposed. By introducing de-loading rate into the control link, the frequency regulation range increases accordingly. The simulation model and experimental platform of multi- machines are built respectively. By comparing with the frequency response of traditional thermal power plant and photovoltaic grid-connection through inverter, MGP can effectively improve the inertial response and frequency adjustment ability of photovoltaic power generation unit.

photovoltaic generation; motor-generator pair;inertial response; frequency regulation; frequency stability

TM712

A

1000-3983(2021)01-0029-05

南方電網(wǎng)公司科技項目（067600KK52180007）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（2019QN102）

2020-08-10

谷昱君（1990-），華北電力大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，電氣工程專業(yè)，博士研究生在讀，主要研究方向為高滲透率新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。